邵俊鵬，徐 斌

(哈爾濱理工大學(xué) 機(jī)械動(dòng)力工程學(xué)院，哈爾濱 150080)

陶瓷拋光磚是現(xiàn)代建筑裝修工程中應(yīng)用最為廣泛的陶瓷制品之一。拋光機(jī)是瓷磚主要的機(jī)械加工設(shè)備。目前國(guó)內(nèi)外瓷磚拋光機(jī)都是單一轉(zhuǎn)速。這種類型的拋光機(jī)的加工過程，國(guó)內(nèi)外已有研究。文獻(xiàn)［1－8］通過試驗(yàn)得出拋光瓷磚在拋光過程中表面粗糙度的變化規(guī)律，同時(shí)得出拋光瓷磚氣孔的減少對(duì)機(jī)械加工的難度有很大的影響。李松等［9］通過試驗(yàn)得出瓷磚的拋光軌跡以及磨頭轉(zhuǎn)速對(duì)瓷磚拋光質(zhì)量的影響。目前應(yīng)用最為廣泛的是擺動(dòng)式瓷磚拋光機(jī)，但是該拋光機(jī)在拋光過程中出現(xiàn)了表面粗糙度不均勻，瓷磚碎裂等情況。針對(duì)這些故障，湯迎紅等［10］優(yōu)化了拋光盤的凸輪曲線，解決了柔性沖擊問題。吳南星等［11］用加水方法控制噪聲。

隨著機(jī)械加工成本的增加、能耗的加大。提高拋光機(jī)的加工效率成為了企業(yè)研發(fā)的重中之重。提高拋光機(jī)的加工效率有兩種途徑:一是在同一拋光機(jī)上采用多種轉(zhuǎn)速;二是增大磨頭直徑。但是磨頭直徑的增大，受到空間和成本限制，不是理想的解決途徑。鑒于此，對(duì)多轉(zhuǎn)速拋光機(jī)的研發(fā)顯的尤為重要和迫切。

本課題提出一種多轉(zhuǎn)速拋光機(jī)，設(shè)計(jì)磨頭變速結(jié)構(gòu)。建立模型分析在高轉(zhuǎn)速下磨頭的平面慣性振動(dòng)和垂直振動(dòng)，通過振動(dòng)實(shí)驗(yàn)室和磨削量實(shí)驗(yàn)確定拋光機(jī)不同磨頭的轉(zhuǎn)速。并確定多轉(zhuǎn)速拋光機(jī)高效、節(jié)能加工時(shí)轉(zhuǎn)速、壓力的最佳組合。

在原理和運(yùn)行上驗(yàn)證多轉(zhuǎn)速拋光機(jī)的可能性。

1 多轉(zhuǎn)速拋光機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和原理

1.1 多轉(zhuǎn)速拋光機(jī)結(jié)構(gòu)

多轉(zhuǎn)速拋光機(jī)的主要部件有:瓷磚輸送部件、橫梁擺動(dòng)部件、磨頭部件等，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

瓷磚輸送部件由傳送帶電機(jī)10、主動(dòng)滾輪9、從動(dòng)滾輪18、傳送帶12、瓷磚17組成。瓷磚17在傳送帶12的帶動(dòng)下，輸入輸出。傳送帶12的輸送快慢由主控面板控制。

橫梁擺動(dòng)部件由橫梁擺動(dòng)電機(jī)14、橫梁7、橫梁支撐座8組成。

磨頭部件是拋光機(jī)的最主要部件，由磨頭電機(jī)3、磨頭主軸4、氣缸5、磨頭16、冷卻水管2組成。每臺(tái)多轉(zhuǎn)速拋光機(jī)配置12～20個(gè)磨頭，配置磨頭的個(gè)數(shù)由廠家的生產(chǎn)能力確定。每個(gè)磨頭配置6～8個(gè)磨塊，磨塊的軟硬由加工的瓷磚材質(zhì)確定。

多轉(zhuǎn)速拋光機(jī)工作時(shí)，由傳送帶電機(jī)10驅(qū)動(dòng)主動(dòng)滾輪9、從動(dòng)滾輪18、傳送帶12轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)置于傳送帶之上的瓷磚進(jìn)給。同時(shí)，磨頭16在磨頭電機(jī)3的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，氣缸5帶動(dòng)磨頭16垂直壓在瓷磚上。磨頭16及其主軸4固定在橫梁7上，為了完整的加工整個(gè)瓷磚，橫梁7以及固定其上的磨頭16在橫梁擺動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下在橫梁支撐座8上做往復(fù)的移動(dòng)。往復(fù)的行程略大于瓷磚的寬度。

1.2 多轉(zhuǎn)速拋光機(jī)變速結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

磨頭部件的變速結(jié)構(gòu)采用的是塔式帶輪變速，如圖1所示。這種結(jié)構(gòu)傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、對(duì)軸的安裝精度要求不高、成本低廉。變速級(jí)數(shù)為4級(jí)變速。

1.3 多轉(zhuǎn)速拋光機(jī)磨頭的運(yùn)行軌跡

圖3 多轉(zhuǎn)速拋光機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.3 Schematic diagram of the structure of multi-speed polishing machine

由多轉(zhuǎn)速拋光機(jī)結(jié)構(gòu)和磨頭變速結(jié)構(gòu)的分析可知，結(jié)構(gòu)圖如圖3和多轉(zhuǎn)速拋光機(jī)磨頭的運(yùn)動(dòng)，有兩種運(yùn)動(dòng)組成:一種運(yùn)動(dòng)是，磨頭電機(jī)3驅(qū)動(dòng)主動(dòng)帶輪1，主動(dòng)帶輪1通過皮帶7帶動(dòng)塔式從動(dòng)帶輪6旋轉(zhuǎn)，塔式從動(dòng)帶輪6驅(qū)動(dòng)磨頭16旋轉(zhuǎn)。(塔式從動(dòng)帶輪6與磨頭主軸4以及磨頭16是聯(lián)接在一起的);二種運(yùn)動(dòng)是，氣缸5驅(qū)動(dòng)磨頭主軸4以及磨頭16作向下運(yùn)動(dòng)。運(yùn)行軌跡如圖2所示。

設(shè)磨塊上一點(diǎn)A(x，y，z)，距磨頭中心軸的距離為r，當(dāng)多轉(zhuǎn)速拋光機(jī)變速機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)，該點(diǎn)所形成的軌跡為一條螺旋線。其方程［12］為:

式中，h為磨塊磨入瓷磚的深度;n為磨塊數(shù)。nh為磨頭每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)磨削瓷磚的深度;ω為磨頭旋轉(zhuǎn)角速度。

A點(diǎn)在t時(shí)間內(nèi)所形成螺旋線軌跡為W:

對(duì)式(1)求導(dǎo)得:

把式(3)代入式(2)得:

1.4 多轉(zhuǎn)速拋光機(jī)加工工藝

瓷磚的拋光是在瓷磚刮平之后，進(jìn)行拋光的階段。瓷磚拋光的工藝分三個(gè)階段:粗加工、精加工、拋光加工。這三個(gè)加工程序在一臺(tái)多速拋光機(jī)上實(shí)現(xiàn)。以12磨頭拋光機(jī)為例，拋光機(jī)上的磨頭四個(gè)為一組。從瓷磚進(jìn)給方向起，前四個(gè)磨頭是粗加工，磨塊粒度號(hào)為80#，切除量是主要的指標(biāo)。中間四個(gè)磨頭是精加工，磨塊粒度號(hào)為240#～320#，較少切除量是主要的指標(biāo)。最后四個(gè)磨頭是拋光加工，磨塊粒度號(hào)為1 000#～1 200#，保證光潔度是主要指標(biāo)。

2 多轉(zhuǎn)速拋光機(jī)磨頭部件的動(dòng)力學(xué)分析

2.1 磨頭部件平面振動(dòng)

由多轉(zhuǎn)速拋光機(jī)磨頭的運(yùn)行分析可知，多轉(zhuǎn)速拋光機(jī)磨頭在運(yùn)行時(shí)，有兩種運(yùn)動(dòng)，一種是磨頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，一種是磨頭垂直向下的運(yùn)動(dòng)。由于磨頭的磨塊材料不是絕對(duì)均勻，又因設(shè)計(jì)制造、安裝方面的缺陷，導(dǎo)致磨頭在高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生動(dòng)不平衡。此振動(dòng)屬于平面運(yùn)動(dòng)，不考慮垂直方向的分運(yùn)動(dòng)。磨頭動(dòng)力學(xué)模型如圖4所示。

圖4 磨頭動(dòng)力力學(xué)模型Fig.4 Schematic diagram dynamics model of grinding head

磨頭的運(yùn)動(dòng)微分方程為:

式中:m為磨頭質(zhì)量;m0為作用在磨頭上的偏心質(zhì)量;kx、ky為磨頭沿 x，y 方向的剛度;fx、fy為磨頭在 x，y 方向的阻尼系數(shù);ω為磨頭回轉(zhuǎn)角速度;r為偏心質(zhì)量的偏心距;y″，y'，y為磨頭在 y方向上的加速度，速度，和位移;x″，x'，x為磨頭在x方向上的加速度，速度，和位移。

設(shè)磨頭在x，y方向的位移為:

式中:Ax、Ay為磨頭在 x，y 方向的振幅;ax、ay為磨頭在x，y方向的激振力對(duì)位移的相位差角。

經(jīng)整理計(jì)算得磨頭在x，y方向的振幅Ax、Ay和相位差角 ax、ay。

ax、ay通常在170°～180°之間［13－14］。因此 cos(ax)=cos(ay)≈1。

當(dāng)ky→0及kx→∞時(shí)振幅為:

因此，磨頭在x方向的振幅較大，在y方向的振幅較小。

2.2 頭垂直振動(dòng)

圖5(a)為磨頭簡(jiǎn)化模型，磨塊座和磨塊合體簡(jiǎn)化成為刀體，磨頭簡(jiǎn)化為刀座。磨塊一點(diǎn)0的動(dòng)態(tài)切削力T分解為垂直切削力P和切削阻力F。P遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于F。由于磨頭存在著垂直方向的振動(dòng)Z(t)而引起動(dòng)態(tài)磨削力的變化［15－16］，其變化值為:

圖5 磨頭垂直振動(dòng)簡(jiǎn)化模型Fig.5 Schematic diagram of Simplified model of vertical vibration of grinding head

式中，Ω為磨頭的角速度;T為磨頭每轉(zhuǎn)時(shí)間;k1為磨削厚度系數(shù);μ為重疊系數(shù)，μ≤1.0;z1為同時(shí)工作的磨塊數(shù);z2為磨塊總數(shù);K為切入系數(shù);Z(t)為磨頭垂直方向的擾動(dòng);Z為垂直方向。

圖5(b)為磨頭垂直振動(dòng)簡(jiǎn)化模型，磨頭的主要磨削力在垂直方向的，因此磨頭垂直方向的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為:

式中:m為磨頭質(zhì)量;kz為磨頭沿z方向的剛度;C為磨頭在z方向的阻尼系數(shù);z″，z'，z為磨頭在z方向上的加速度，速度，和位移;P為磨頭z方向磨削力;ω為磨頭z方向激振力角頻率。

設(shè)磨頭在z方向的位移為:

式中:Az為磨頭在z方向的振幅;az為磨頭在z方向的激振力對(duì)位移的相位差角。

經(jīng)整理計(jì)算得磨頭在z方向的振幅Az和相位差角az。

由于磨頭具有自適應(yīng)性，適應(yīng)瓷磚表面的形狀特征，因此磨頭在垂直于瓷磚方向的阻尼比較小，隔振彈性裝置的剛度也比較小，即kz?ω2m，az通常在170°～180°之間［14］，因此 cos(az)≈1。由此可以看出 Az＞Ax＞Ay。

3 磨頭振動(dòng)和磨削量實(shí)驗(yàn)

為了確定多轉(zhuǎn)速拋光機(jī)粗、精、拋光加工階段磨頭的轉(zhuǎn)速以及在不同轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)、磨削量、壓力等，按照表1參數(shù)進(jìn)行了磨削振動(dòng)試驗(yàn)，機(jī)床為SD－281型12磨頭的瓷磚拋光機(jī)。

實(shí)驗(yàn)時(shí)按照表1的參數(shù)進(jìn)行，利用壓電式傳感器測(cè)量X，Y，Z三個(gè)方向的振動(dòng)加速度。所用儀器和測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖6所示。

從所得測(cè)量數(shù)值中取X，Y，Z三個(gè)方向的振動(dòng)加速度最大和最小值。其結(jié)果如表2所示。

試驗(yàn)所用的瓷磚規(guī)格是800 mm×800 mm，磨削時(shí)間為11分鐘。瓷磚和磨塊磨損量的測(cè)量應(yīng)用稱重法得出數(shù)值，其結(jié)果如圖7所示。

3.1 粗磨階段的磨頭轉(zhuǎn)速與壓力確定

圖6 實(shí)驗(yàn)裝置和振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig.6 Schematic diagram of experimental equipment and vibration testing system

從表2和圖7(a)分析得出磨頭轉(zhuǎn)速為522 r/min時(shí)瓷磚的磨除量為最大，磨頭在X、Y、Z三個(gè)方向的振動(dòng)加速度為最大。磨頭轉(zhuǎn)速為570 r/min時(shí)瓷磚的磨除量比較大，而磨頭在X，Y，Z三個(gè)方向的振動(dòng)加速度比磨頭轉(zhuǎn)速為522 r/min時(shí)的振動(dòng)要小。同時(shí)得出磨頭轉(zhuǎn)速與瓷磚和磨塊的磨損累積量成正比。磨頭轉(zhuǎn)速與磨頭的振動(dòng)加速度成正比。但是磨頭轉(zhuǎn)速為522 r/min時(shí)，瓷磚的瓷磚和磨塊的磨損累積量要大于磨頭轉(zhuǎn)速為522 r/min時(shí)。

原因是轉(zhuǎn)速為570 r/min的磨頭施加的氣缸壓力要小于轉(zhuǎn)速為522 r/min的磨頭壓力。磨頭壓力大時(shí)，磨塊參與的磨粒增多，磨削量就大，同時(shí)造成的磨削振動(dòng)也就越大。

因?yàn)榇帜ルA段的指標(biāo)是瓷磚的磨除量，磨頭轉(zhuǎn)速為427 r/min和475 r/min時(shí)，瓷磚的磨除量比較小，不符合粗磨階段的指標(biāo)。

綜上分析得出粗磨階段的前四個(gè)磨頭的轉(zhuǎn)速為570 r/min，磨頭壓力在2.6 ～3.2 MPa之間。

3.2 精磨階段的磨頭轉(zhuǎn)速與壓力確定

多轉(zhuǎn)速拋光機(jī)的精磨階段是中間6個(gè)磨頭，采用的磨塊粒度號(hào)數(shù)為240#和320#。從表2和圖7(b)，圖7(c)分析得出采用磨塊粒度號(hào)數(shù)為240#和320#的磨頭的振動(dòng)加速度為最大，特別是Z軸的振動(dòng)，Z方向的振動(dòng)是造成瓷磚碎裂的主要原因。因此加工過程要避免Z方向過大的振動(dòng)，降低碎磚率。

圖7 磨塊與瓷磚磨損量Fig.7 Wear weight loss of ceramic tile and grinding block

對(duì)比實(shí)驗(yàn)6和實(shí)驗(yàn)10磨頭轉(zhuǎn)速為475 r/min，實(shí)驗(yàn)6的磨頭振動(dòng)要比實(shí)驗(yàn)10的磨頭振動(dòng)小。原因是實(shí)驗(yàn)10磨頭的壓力大于實(shí)驗(yàn)6磨頭壓力。這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的瓷磚磨除量相差不多。

為了降低碎磚率，并達(dá)到精磨階段的低磨損量和瓷磚光潔度同時(shí)兼顧的目的。精磨階段中間6個(gè)只用240#和320#磨塊的磨頭轉(zhuǎn)速為475 r/min，磨頭壓力為2.6 MPa。

3.3 拋光階段的磨頭轉(zhuǎn)速與壓力確定

從表2和圖7(d)分析得出拋光階段磨削不占主導(dǎo)，磨頭壓力對(duì)拋光影響不大，文獻(xiàn)［17］通過實(shí)驗(yàn)得出瓷磚光潔度與磨頭的轉(zhuǎn)速成正比。磨頭的振動(dòng)會(huì)使已經(jīng)加工好的表面造成二次劃傷。

表1 磨頭振動(dòng)加速度實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Vibration acceleration experimental parameter of grinding head

綜上分析得出，在拋光階段后三個(gè)磨頭的轉(zhuǎn)速為570 r/min，磨頭壓力為 3.2 MPa。

通過表2可以看出磨頭振動(dòng)加速度Z方向?yàn)樽畲筮h(yuǎn)大于X、Y方向的振動(dòng)，X方向大于Y方向的振動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了磨頭振動(dòng)的理論分析結(jié)果。

磨頭在工作時(shí)，在沿著X方向擺動(dòng)，瓷磚沿Y方向進(jìn)給。因此這個(gè)兩個(gè)方向的振動(dòng)對(duì)瓷磚的加工沒有影響，對(duì)橫梁的影響也很小。

表2 磨頭振動(dòng)加速值對(duì)比表Tab.2 Numerical contrast of vibration acceleration of grinding head

4 結(jié)論

(1)試驗(yàn)結(jié)論驗(yàn)證了，對(duì)磨頭振動(dòng)的理論分析結(jié)果。

(2)多轉(zhuǎn)速拋光機(jī)的轉(zhuǎn)速搭配形式是拋光機(jī)兩頭的磨頭轉(zhuǎn)速高，中間磨頭的轉(zhuǎn)速低。

(3)磨頭在X，Y方向的振動(dòng)對(duì)瓷磚加工沒有影響，而且有利于瓷磚加工。這兩個(gè)方向的振動(dòng)，對(duì)瓷磚加工起輔助作用。

(4)磨頭為了完整的加工瓷磚需要在瓷磚的兩端稍作停留，但是不能停留時(shí)間過程，通過表2可以看出，磨頭不擺動(dòng)時(shí)，振動(dòng)很大。停留時(shí)間不能超過2秒。

(5)多轉(zhuǎn)速拋光機(jī)的轉(zhuǎn)速搭配可以降低振動(dòng)，提高效率。同時(shí)也驗(yàn)證了其可行性。

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